什么是声学显微镜?

[拼音]：shengxue xianweijing

[外文]：acoustic microscope

利用声波显示物体微细结构的装置。它是一种新型显微镜，也是声成像技术的一个新的分支。声学显微镜所用的声波频率在超声频段，所以也称超声显微镜，简称声镜。

1936年，S.索可洛夫提出超声显微镜的设想。60年代，声成像技术和微波声学进展很快。70年代初，声镜的研制工作迅速展开，现代已有多种形式。L.W.凯斯勒等人设计了激光扫描声镜，C.F.夸特等人设计了聚焦声束机械扫描声镜，其分辨力高，理论与技术较为完整，结构简单，分为透射式和反射式两大类。在70年代末和80年代初，中国科学院声学研究所和清华大学相继开展了这种声镜的研究工作。

声波射在物体上会发生透射、反射和衍射等声学现象。经历这些过程的声波，因与物体发生过相互作用而含有物体的力学信息。声镜就是把含有这些信息的声波接收、转换并显示出来的装置。声波的频率足够高，即波长足够短时就可以显微。反射式聚焦声束机械扫描声镜具有代表性（见图）。高频电信号激发压电换能器（如氧化锌或铌酸锂换能器）发射高频超声，经声透镜在耦合介质中聚焦成一细小声束，射到位于焦平面上的被测样品上，声波与样品相互作用而产生反射声波，返回声透镜又到达换能器并转换成电信号，经环行器到接收机直至示波器。机械扫描装置使载物台作二维的机械扫描运动，使聚焦声束对样品逐点逐行照射。当机械扫描与示波器的电子束运动同步时，屏幕上就出现一幅对应于被照样品部位的像。这幅声像由许多像元组成，利用电放大容易控制声像的放大倍数。由于机械扫描频率的限制，一幅声像需要几秒钟才能完成。

声透镜是会聚或发散声波的声学元件。它的工作原理与光透镜类似，并遵守同一折射定律。声透镜材料中的声速一般比周围介质中的声速高，因此会聚用的声透镜是凹透镜。高折射率易于实现，因为只用一个凹球透镜，所以其像差可略。声透镜材料要选取高声速、低损耗的物质，常用的有蓝宝石和熔石英等。声透镜的曲率半径一般小于1毫米，有的仅 40微米。为了保证高频超声的有耗传输，声透镜与样品之间的耦合介质一般采用水。它和许多物质相容，使用方便。

声镜利用声波，有别于光镜与电镜。它是利用对物质力学特性的敏感性。在生物学方面，样品不需染色即可进行活体而及时的直接观察；在微电子学方面，可穿过不透光的表面观察各断层的内部（如检查集成电路层间结合的质量）；在材料科学方面，样品不需抛光腐蚀即可以观察其金相与组分；在测量方面，可检测薄膜的厚度和材料微区的d性性质。声镜像光镜一样，不但能显示物体微细结构，而且能显现物体的d性像，但在这方面人们研究得很不够。

C.F.夸特等人研制的声镜频率为 4.2吉赫。在液氦耦合介质中工作时分辨力 (500埃)已超过光镜。C.R.佩茨等人研制的声镜采用高压气体作耦合介质，工作频率为45兆赫，在30个大气压氮气中工作时，其分辨率可达7微米。E.A.阿什等人研究成功微分像的成像新技术;中鉢憲賢等人研究成功无透镜新技术。声镜的发展迅速，引起了科学和技术界的重视。虽然用几何光学和傅里叶光学的方法可以解释许多成像机理，但声显微像的声学成像机理和技术还有待进一步发展。声镜的结构比光镜庞大复杂，其分辨力也不如电镜。然而，在研究物质的性质时，声镜已为人们提供一种与光镜和电镜相互补充的新工具。

参考书目

R.A.Lemons， C.F.Quate，Acoustic Microscope，Physical Acoustics， Vol. XIV， Academic Press，New York，1979.